4. ГЕНЕРАТОРЫ И ФОРМИРОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ

4.1. Генераторы синусоидальных колебаний

Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармоничных) колебаний, прямоугольных колебаний, или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов), и колебаний специальных форм (например, генераторы линейно изменяющегося напряжения). Генератор — это автоколебательная структура, в которой энергия источников питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Генераторы синусоидальных колебаний обеспечивают образование на выходе устройства переменного тока (напряжения) заданной частоты. В них часто используются колебательные LC-контуры (обычно параллельные).

Представим себе параллельный LC-контур. Если зарядить емкость такого контура до определенного напряжения, в нем будет запасена соответствующая энергия ε. Теперь замкнем этот заряженный конденсатор на индуктивность. В результате будет происходить колебательный обмен энергией между конденсатором и катушкой индуктивности. Период этих колебаний можно определить как:

Τ =1/ f = 2π LC.

Через четверть периода вся энергия ε уже будет сосредоточена в магнитном поле катушки индуктивности, а конденсатор полностью разрядится. После этого конденсатор начнет перезаряжаться за счет энергии магнитного поля. В момент времени Т/2 энергия вернется на конденсатор в виде ε, но полярность напряжения обкладок конденсатора изменится на противоположную. В момент времени Т конденсатор снова полностью зарядится и колебательный процесс будет продолжаться. Поскольку в реальном контуре всегда имеют место потери, эти колебания будут затухать. Для предотвращения затухания нужно периодически подавать в контур дополнительную энергию. Обычно пополнение энергии осуществляется от источника питания с помощью усилительного каскада.

Генераторы синусоидальных колебаний обычно содержат усилительный каскад, охваченный частотно-избирательной ПОС, которая обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на за-

186

ства в режиме автогенерации необходимо выполнение двух условий. Эти условия можно записать в следующем виде:

где ϕ0, ϕ0ос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи соответственно; n — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения необходимо, чтобы соотношения (4.1, а и б) выполнялись лишь на одной частоте.

Соотношение (4.1, а) принято называть балансом амплитуд. Амплитуда сигнала на выходе устройства оказывается в К раз больше, чем на входе. Но она ослабляется в χ раз цепью обратной связи. Для возникновения генерации необходимо, чтобы сигнал, поступающий на вход по цепи обратной связи, был больше начального сигнала на входе устройства, т.е. К > 1/ χ . Это условие позволяет первоначальным изменениям токов и напряжений (появившимся при подключении устройства к источнику питания) осуществить необходимое нарастание. Условие К χ = 1 определяет установившийся режим генерации, в котором сигналы на выходе и входе генератора равны своим установившимся значениям, т.е. коэффициент усиления компенсируется коэффициентом обратной связи.

Соотношение (4.1, б) принято называть балансом фаз. Возникший на входе сигнал (при подключении источника питания) после прохождения усилителя и цепи обратной связи должен возвратить-

187

ся на вход устройства без изменения своей фазы, т.е. суммарный фазовый сдвиг должен быть равен 0, 2π, 4π и т.д. В результате происходит увеличение этого сигнала за счет сложения тока (или напряжения) с возвратившимся по цепи ПОС сигналом. Соотношение (4.1, б) обязывает обеспечить в генераторе устойчивую ПОС.

Генераторы синусоидальных колебаний принято различать по типу используемых частотно-избирательных элементов. Так, можно выделить LC-, RC- и кварцевые (акустоэлектронные) генераторы.

4.1.1. Генераторы LC-типа (LC-генераторы)

В LC-генераторах в качестве частотно-избирательных (частот- но-задающих) элементов используются катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек индуктивности и конденсаторов формируются параллельные или последовательные колебательные контуры, настраиваемые на заданную рабочую частоту f0. В LC-генераторах f0 обычно превышает значение 40 кГц.

На рис. 4.2 приведена принципиальная схема одного из вариантов LC-генератора. Основа такого устройства — резонансный усилитель, в котором с помощью трансформатора Тр создана ПОС. Условия генерации (4.1) здесь обеспечиваются для резонансной частоты контура f0 . При подключении источника питания Ек в цепях усилительного каскада образуются приращения токов и напряже-

ний. В результате в LC-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой f0 , которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве.

Если частота колебаний отклонится от значения f0 , то сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный (индуктивный или емкостный) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг, и условие (4.1, б) перестает выполняться. Кроме того, отклонение частоты от резонансной приводит к снижению Ки (коэффициент усиления понапряжению), чтоможетнарушить

188

выполнение условия (4.1, а). Таким образом, генерация автоколебаний в устройстве осуществляется на частоте f0 (или очень близкой к ней).

Усилительный каскад ОЭ в рассматриваемом генераторе инвертирует сигнал, поэтому для выполнения баланса фаз трансформатор Тр должен осуществить поворот фазы сигнала на 180 °. Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, необходимо вторичную обмотку включить встречно по отношению к первичной. Точки около выводов обмоток Тр указывают на синфазность напряжения на

них. Обычно первичная обмотка Тр, являющаяся индуктивностью контура, состоит из большего числа витков, чем вторичная.

Выполнить LC-генератор можно и без использования трансформаторной связи. В этих случаях цепь обратной связи подключается непосредственно к колебательному контуру, состоящему из нескольких секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LC-контур соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), поэтому их называют трехточечными. На рис. 4.3 приведена принципиальная схема генератора с индуктивной трехточечной связью. Здесь LC-контур образован секционированной индуктивностью L и емкостью С параллельно включенного конденсатора. Сигнал ПОС образуется на верхней секции L. Напряжение на выводах L относительно шины Ек находится в противофазе. Амплитуда напряжения обратной связи устанавливается положением средней точки в катушке индуктивности. Из всех конденсаторов, используемых в рассматриваемом устройстве, минимальной емкостью должен обладать конденсатор С.

При реализации генератора с емкостной трехточечной связью в контур параллельно катушке индуктивности включаются последовательно два конденсатора. Цепь обратной связи в этом случае подключается к общей точке этих конденсаторов (емкостного делителя).

189